◎本报记者 马爱平

    基于对菊科植物独特的碳氮平衡系统的详细了解，研究人员可以通过重建碳氮系统的策略来改善作物的适应性，以应对全球气候挑战。

    由于具有丰富的物种多样性和超强的环境适应性，菊科植物常被视为在进化上最为成功的植物，但其背后的分子遗传机制尚不明确。

    近日，北京市农林科学院杨效曾团队和北京大学李磊团队在权威期刊《自然·通讯》上发表题为“比较基因组学揭示了菊科特有的碳氮平衡系统”的研究成果。研究揭示了菊科特有的碳氮平衡系统，这种特有的系统或是菊科植物具有丰富的物种多样性和极强的环境适应性的原因。

    菊科植物具有丰富物种多样性和极强环境适应性

    菊科是真双子叶植物中最大的一个科，菊科植物具有丰富的物种多样性和极强的环境适应性。

    论文通讯作者、北京市农林科学院研究员杨效曾表示，现在已知菊科植物至少有13个亚科、超过1700个属和3万种，其物种数量占整个开花植物总数的约10%。菊科植物广泛分布在全世界，具有极强的适应性，能够生存于除极地极寒地区以外的任何地区，包括沙漠、沼泽、冻土等极端环境中。另外一个能够说明菊科植物具有超强环境适应性的是在《重点管理外来入侵物种名录》中，菊科植物种类最多。在我国所有入侵有害植物中，菊科种类也最多，占比约18%。

    研究者普遍认为，菊科植物进化出了独特的、千变万化的头状花序，能够更好地吸引授粉者，增加授粉几率。同时，很多菊科物种的瘦果（瘦果是菊科植物中最常见的果实类型，它们通常是干燥而狭窄的果实，内含单个种子）果皮部分进化出了独特的结构，能够利用风或粘在动物的皮毛上进行远距离传播，例如蒲公英的冠毛和苍耳种子上的倒刺。菊科植物以菊糖（果聚糖的一种）作为代替淀粉，这是其能量的主要存储形式。菊糖具有良好的水溶性，提高了菊科植物的渗透压调节能力，因此也被认为是菊科植物能够适应各种不同环境的重要因素。但目前人们并不清楚，在菊科植物丰富的物种多样性和极强的环境适应性背后是否存在独特的分子遗传机制。

    古多倍化事件对菊科植物成功进化具有重要意义

    “草海桐科与菊科相比，仅有400多个物种，栖息地在太平洋和印度洋热带沿岸。本研究选取了草海桐科的代表物种草海桐，通过一系列组装策略完成了草海桐高质量基因组组装，为菊科研究提供了重要的外群参照。”杨效曾介绍。

    为了更好地了解菊科植物，团队通过三代测序技术、光学图谱等技术完成了目前最高质量的莴苣参考基因组。

    论文第一作者、北京市农林科学院生物所博士申飞介绍，比较基因组学研究揭示了菊科植物起源时间和古多倍化事件（古多倍化事件是种子植物的关键进化动力，有利于家系分化和快速扩张）的影响。

    “将草海桐基因组作为参照，我们确定了菊科植物共有的古多倍化事件发生时间与草海桐科/菊科分化时间接近。草海桐科只发生了更为古老的事件，并没有发生菊科植物共有的古多倍化事件。通过对古多倍化事件以后菊科植物保留区域（TRR）的分析，我们发现这些区域受到了高强度的选择，具有更高的基因密度，许多与细胞壁合成、脂质合成、细胞膜形成、开花相关的基因得到了富集，这表明菊科植物共有的古多倍化事件对菊科植物的成功进化具有重要意义。”申飞说。

    菊科植物的特异机制或让其拥有超级适应性

    研究发现，菊科植物通过古多倍化事件和关键代谢基因的串联复制逐步升级了碳氮平衡系统，从而增强了氮吸收和脂肪酸生物合成能力。通过在基因组层面比较结合1000份陆生植物转录组数据，团队发现菊科植物中调控碳氮平衡的关键基因PII发生了丢失。

    团队进一步以莴苣为模式植物，进行了一系列试验。研究发现，转入PII基因的莴苣株系的碳氮平衡体系被打破，说明了PII基因的丢失对菊科植物碳氮平衡的进化起到了重要作用。

    “碳元素和氮元素是植物生长发育所必需的两个元素。对植物而言，对碳元素的吸收主要依靠光合作用固定空气中的二氧化碳。对于氮元素，植物则主要依靠根从土壤中吸收和同化。”杨效曾表示。

    菊科植物约占开花植物的1/10，强有力的氮同化能力和独特的碳氮平衡系统或为其占据广泛的生态位提供了重要的代谢基础。

    杨效曾表示，基于对这种独特的碳氮平衡系统的详细了解，研究人员可以通过重建碳氮系统的策略来改善作物的适应性，以应对全球气候挑战。